Geregelte 3,3 V von einem Lithium-Ionen- (oder LiPo-) Akku

Hintergrund

Ich möchte meinen Stromkreis mit einem Lithium-Ionen- oder LiPo-Akku (wahrscheinlich ein Akku mit einer Kapazität von etwa 1000 mAh) betreiben. Diese Batterien haben eine Spannung , die während ihres Entladezyklus typischerweise zwischen 4,2 V und 2,7 V liegt .

Meine Schaltung (läuft bei 3,3 V) hat einen maximalen Strombedarf von 400 mA - obwohl ich sagen sollte, dass dies nur die Spitzenaufnahme ist, die etwa 5% der Zeit auftritt; die Schaltung zieht in den verbleibenden 95 % der Zeit nur etwa 5 mA).

Frage

Was wäre der beste Weg, um die (sich ändernde) Ausgangsspannung einer Lithium-Ionen-Batterie in die erforderlichen 3,3 V umzuwandeln, um meine Schaltung mit einer Spitzenstromaufnahme von bis zu 400 mA zu versorgen? Mit "bester Weg" meine ich die effizienteste Spannungswandlung, um die Batteriekapazität optimal zu nutzen.

Der knifflige Teil für mich war die Tatsache, dass die Spannung der Li-Ionen-Batterie sowohl manchmal ÜBER als auch manchmal UNTER meiner erforderlichen Endspannung liegt! Wenn es nur einer dieser beiden wäre, hätte ich wahrscheinlich nur entweder einen LDO-Regler oder einen Boost-IC wie TPS61200 verwendet.

Sie möchten einen Lipo nicht unter 3,7 V entleeren, zumindest wenn Sie vorhaben, ihn erneut aufzuladen.
@ChrisStratton: 3,7 Volt?? Ich bin mir ziemlich sicher, dass der Unterspannungsschutz bei LiPo und Li-Ionen auf etwa 2,7 V eingestellt ist, wenn Sie sich darauf beziehen.
Nicht, wenn Sie möchten, dass Lithium-Polymer-Zellen ihre Kapazität für zukünftiges Aufladen behalten, ist dies nicht der Fall. Wenn Sie die beste Lebensdauer aus ihnen herausholen möchten, lassen Sie sie nicht unter 3,7 V fallen (möglicherweise 3,6 V an der Außenseite).
Neugierig darauf - Könnten Sie eine Quelle angeben? Ich frage, weil bei Betrachtung einer Entladekurve von LiPoly (und Li-Ion) der Spannungspunkt mit nur etwa der Hälfte der entladenen Kapazität zusammenfällt.
Fast alles bei Raumtemperatur, oder besonders wenn Sie eine Selbstheizung haben.
@ChrisStratton: Laut Raumtemperatur- Entladekurven von Sanyo wurden bei 3,7 Volt nur etwa 50 % der Kapazität bei einer Entladerate von 1,0 °C verbraucht. Und mir ist keine Literatur bekannt, die besagt, dass die Lebensdauer oder Kapazitätserhaltung von LiPo-Akkus verbessert wird, indem eine Entladung unter 3,7 V vermieden wird. Bitte geben Sie eine Quelle für das an, was Sie sagen; Es wäre definitiv eine wertvolle Information für mich, wenn das, was Sie sagen, tatsächlich gültig ist.
Unter Lipo-Benutzern ist allgemein bekannt, dass Sie sie nicht über das Knie laufen lassen möchten, da Sie sonst ihre Kapazität verringern. Wenn Sie einen Regler mit ausreichend niedrigem Ausfall bekommen können, würde dies auch Ihr Design erheblich vereinfachen.
Ich weiß, dass dies wahrscheinlich nicht funktionieren wird, aber ich würde gerne wissen, warum, wenn jemand hier antworten kann. Würde eine Zenerdiode mit einer Durchlassspannung von 3,3 V funktionieren?
Hmm, gute Frage zur Zenerdiode ... Ich denke, die Nachteile der Verwendung dieses Ansatzes hier wären Einschränkungen des maximalen Laststroms sowie Ineffizienz (dh Energieverschwendung) und das Fehlen einer sehr stabilen Ausgangsspannung. Wahrscheinlich würde es auch Probleme mit der wechselnden Versorgungsspannung geben. Könnte jemand eine maßgebliche Antwort auf die Frage von @capcom geben?
@boardbite Wirklich, Laststrom ist eine Einschränkung? Ich bin mir nicht sicher, ich bin neu in der Elektronik, aber schau dir den 1N4728 an. Ich denke nicht, dass eine stabile Spannung ein Problem ist. Welche Art von Stabilität benötigen Sie für Ihre Schaltung? Ich würde gerne die Vor- und Nachteile dieses Ansatzes von einem Fachmann erfahren.
@capcom - Während die Stromgrenze des Zeners in einigen Fällen ein Problem sein könnte, ist das offensichtlichere Problem der Widerstand, über den Sie die Spannung tatsächlich absenken. Wenn Sie einen Widerstand mit niedrigem Wert verwenden, um diesen für gelegentliche Hochstromlasten zu dimensionieren, verschwenden Sie am Ende viel Strom. Wenn Sie einen größeren Widerstand verwenden, führt ein hoher Strom zu einem ausreichenden Spannungsabfall am Widerstand, sodass der Ausgang unter die Zenerspannung abfällt. Infolgedessen sind ein Widerstand und eine Zenerdiode einfach keine geeignete Art der Regelung für etwas, das sowohl batteriebetrieben ist als auch große Lastschwankungen erfährt.
@ChrisStratton Moment mal, warum brauchst du überhaupt einen Widerstand mit einer Zenerdiode? Wollen Sie den in die Diode eintretenden Strom wegen seiner Grenze absenken? Ich bin jedoch neugierig, warum Zenerdioden so niedrige Stromgrenzen haben, und gibt es eine Möglichkeit, dies zu umgehen? Danke, Chris!

Antworten (5)

Sie sollten es mit dem BUCK-BOOST DC/DC-Wandler versuchen. Es gibt sie mit einer Effizienz von über 90 %. Schauen Sie sich die Websites von TI und Linear an; Es gibt "Rechner", die Ihnen helfen würden:

Optionen:

Ich habe ihre Tabelle verwendet und recherchiere derzeit TPS63031 oder TPS63001 als mögliche Optionen
Linear Technology hat auch einige vollsynchrone Buck-Boost-Controller. Sie werden keinen effizienteren Ansatz finden als einen synchronen Buck-Boost. Andere Topologien wie SEPIC sind nicht so effizient.
@Madmanguruman: In der Tat! Und einige von ihnen sind in "größeren" MSOP-Paketen verfügbar: parametric.linear.com/buck-boost_regulator
Der TPS63031 und der TPS63001 sind genau das Richtige und daher habe ich sie zu dieser Antwort hinzugefügt, aber für die Nachwelt wird die Antwort weiter aktualisiert, sobald ich mir die linearen Optionen genauer angesehen habe.

  • Ein linearer Regler reicht genauso gut wie jede Alternative.

  • Optionen für geeignete Reglerteile (kostengünstig und mit niedriger Dropout-Spannung von unter 200 mV bei etwa 400-500 mA Strom) umfassen die folgenden: TPS73633, TPS73733, TPS79533, TPS79633, LD39080DT33, LD39150PT33, MIC5353-3.3, ADP124ARHZ-3.3

  • Der Wirkungsgrad wird für den größten Teil des Batteriespannungsbereichs nahe oder über 90 % liegen.

  • Wahrscheinlich werden mehr als 80 % der Batteriekapazität verfügbar sein, und das Belassen einer gewissen Kapazität in der Batterie wird die Lebensdauer der Batterie sinnvoll verlängern, da LiPo- und LiIon-Batterien „weniger verschleißen“, wenn VBatterie nicht zu niedrig wird.

  • Ein Buck-Regler könnte einen besseren Wirkungsgrad erzielen, wenn er äußerst sorgfältig entworfen wird, wird dies jedoch in vielen Fällen nicht tun.

Datenblatt TPS72633 – feste 3,3 V Ausgang, <= 5,5 V Eingang. Deutlich unter 100 mV Dropout bei 400 mA über den gesamten Temperaturbereich. Ungefähr 2,55 US-Dollar/1 bei Digikey, fällt mit dem Volumen.

TPS737xx-Datenblatt bis zu 1 A mit 130 mV Dropout, typisch bei 1 A.

LD39080... Datenblatt 800 mA, Abfall OK.

Sie sagen, die Last beträgt über kurze Zeiträume 400 mA Spitze, aber <= 5 mA für 95% der Zeit. Sie sagen nicht, welche Akkukapazität Sie verwenden möchten, aber nehmen wir eine Kapazität von 1000 mAh an - physisch kein sehr großer Akku, der in Mobiltelefonen usw. üblich ist.

Wenn 3,3 V erwünscht sind, wird ein Regler mit Vin >= 3,4 V leicht erreicht und 3,5 V sogar noch mehr.

Wie viel Prozent der Batteriekapazität erhalten wir also bei 0,4 C bei Raumtemperatur? Basierend auf den folgenden Diagrammen - wahrscheinlich über 75 % bei 400 mA und fast 100 % bei 5 mA für einen 1000-mAh-Akku. Siehe unten.

Für Vout = 3,3 V und 90 % Wirkungsgrad, Vin = 3,3 x 100 %/90 % = 3,666 = 3,7 V. Bis 3,7 V liefert ein Linearregler also >= 90 % - was mit einem Tiefsetzsteller überschritten werden kann, aber nur mit großer Vorsicht. Selbst bei Vin = 4,0 V ist der Wirkungsgrad = 3,3/4 = 82,5 %, und es dauert nicht lange, bis Vin diesen Wert unterschreitet, sodass in den meisten Fällen der Wirkungsgrad eines Linearreglers bei Verwendung von nahe oder über 90 % liegt Großteil der Batteriekapazität.

Während ich der Meinung bin, dass D Pollits Wert von 3,7 V für Vbattery_min in diesem Fall zu hoch ist, liefert ein Wert von 3,5 V oder 3,4 V den größten Teil der Batteriekapazität und verlängert die Lebensdauer des Batteriezyklus.

Kapazität in Abhängigkeit von Temperatur und Last: 400 mA = 0,4C.

Das linke Diagramm unten stammt aus einem Sanyo LiPo-Datenblatt, das ursprünglich zitiert wurde . Bei 0,5C Entladung fällt die Spannung unter 3,5V bei etwa 2400 mAh oder 2400/2700 = 88% der Nennkapazität von 2700 Ah.

Das rechte Diagramm zeigt die Entladung bei einem Strom von C/1 (~= 2700 mA) bei verschiedenen Temperaturen. Bei einer Temperatur von 0 C (0 Grad Celsius) fällt die Spannung bei etwa 1400 mAh unter 3,5 V, aber bei 25 C beträgt sie etwa 2400 mAh (siehe Grafik links), sodass wir bei sinkender Temperatur mit einem erheblichen Kapazitätsabfall rechnen können. aber bis zu sagen 10 C würden Sie 2000 mAh oder mehr erwarten. Das ist bei C/1 Entladung, die 400 mA = 0,4 C in diesem Beispiel, und die 95 % Entladungsrate von 5 mA ergibt wahrscheinlich fast die volle Nennkapazität.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dies würde das Layout vereinfachen; Ich schätze die obige Analyse - Aber ich habe noch nie ein Teil verwendet, das bis zu ~ 500 mA mit einem ausreichend niedrigen Ausfall liefert (z. B. 150 mV oder weniger, ähnlich wie Sie es vorgeschlagen haben); Gibt es ein gemeinsames solches Teil?
Mit Digikey & Mouser habe ich jetzt ein paar geeignete und kostengünstige LDO-Regler gefunden, die eine niedrige Dropout-Spannung für 400-500 mA Strom haben. Ich habe Ihre Antwort bearbeitet, um diese Optionen für zukünftige Leser mit Interesse an Li-Ion -> 3,3 V aufzunehmen
@boardbite Der TPS72633-Link ist defekt - und ich kann über Google keine Datenblätter dafür finden. Für den TPS737xx kann ich seinen I_Q nicht im Datenblatt finden - dieses Datenblatt gibt nur I_Q_shutdown an. Digikey listet diesen Teil jedoch mit I_Q = 400 µA auf, was ziemlich hoch ist. Beim LD39080 ist sein I_Q mit 1 mA ebenfalls relativ hoch. Es scheint, als hätten die Teile Richtek RT9080, Ablic S-1155 und S-1172 viel bessere Spezifikationen.

Ich würde eine der folgenden Methoden ausprobieren:

  • Erhöhen Sie die Spannung, bis sie nicht unter 3,3 V fällt, und regeln Sie dann auf diesen Wert herunter
  • Verwenden Sie zwei Batterien in Reihe
  • versuchen Sie, die Schaltung neu zu gestalten; Einige ICs mit einer Nennspannung von 3,3 V funktionieren sogar bei 2,5 V
Die 2. und 3. Idee sind zwar gut zu wissen, aber in meinem Fall keine Optionen. Würden Sie in Bezug auf die erste Option nicht sagen, dass es eine ziemlich ineffiziente Methode ist, sie zuerst separat zu verstärken und dann zu regulieren?
Allerdings fällt mir nichts anderes ein.

Holen Sie sich eine LFP-Batterie (Lithium-Ferrophosphat). Die Nennspannung beträgt etwa 3,2 V und die Arbeitsspannung reicht von 3,0 bis 3,3 V. Das Entladen Ihrer Lithium-Ionen-Batterie von 4,7 V auf unter 3,7 V ist nur schädlich für ihre Lebensdauer, da sie umgekehrt proportional zur Entladetiefe ist

Um ehrlich zu sein, ist ein LDO-Regler wahrscheinlich gut genug. Wenn eine Li-Po-Zelle auf 3,3 V abfällt, hat sie den größten Teil ihrer Leistung abgegeben (siehe Lipo-Entladekurve). Viele Geräte (esp8266, nrf24l01 usw.), die eine Nennversorgung von 3,3 V angeben, funktionieren weit unter 3,3 V.

Als praktisches Beispiel habe ich einen Tachometer mit drahtlosen Sender- und Empfänger-/Anzeigemodulen mit NRF24L01-Modulen für die drahtlosen und BA33BC0T-Linearregler gebaut. Sowohl die Sender- als auch die Empfängerzellenspannung werden auf dem Display des Empfängers angezeigt und in der Praxis schneiden sie bei etwa 3,1-3,0 V ab. Ich fahre bei (diese Geräte arbeiten bei) Temperaturen von 5 bis 30 Grad C.

Wenn man bedenkt, dass das Datenblatt dieses LDO-Reglers einen Unterschied von 0,3 V bis 0,5 VI / O angibt (glaube ich?) Und der NRF24L01 einen Versorgungsbereich von 3,0 V bis 3,6 V angibt, ist dies wirklich gut für ein Li-Po-Projekt.

Geregelte 3,3 V von einem Lithium-Ionen- (oder LiPo-) Akku
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v